ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Дыхательная цепь и окислительное фосфорилирование из "Химия биологически активных природных соединений" Дыхательная цепь. Цикл Кребса функционально связан с дыхательной цепью, которая представляет собой ряд окислительно-восстановительных ферментов, осуществляющих перенос водорода и электронов от субстрата к кислороду. Кислород для реакции окисления поступает в организм из воздуха через легкие. В легких он образует лабильное соединение с переносчиком кислорода — гемоглобином. По кровеносному руслу оксигемоглобин попадает в ткани, обедненные кислородом, где легко диссоциирует. Через стенки капилляров кислород диффундирует в клетки, где и участвует в реакциях окисления. [c.402] В процессе переноса водорода от органических субстратов к молекулярному кислороду принимают участие три основные группы окислительно-восстановительных ферментов. [c.402] Ферментные системы этих сложных биохимических окислительно-вос-становительных реакций и окислительного фосфорилирования требуют высокой степени пространственной организации, они должны быть строго фиксированы в клеточных структурах в определенной последовательности, в которой они функционируют в дыхательной цепи. [c.402] Ферменты дыхательной цепи и окислительного фосфорилирования локализованы во внутренней мембране митохондрий и функционируют в форме высокоорганизованных комплексов. [c.402] Строение элементарной частицы, переносящей водород и электроны, окончательно не установлено. Однако показано, что она имеет сложную структуру и состоит из четырех комплексов (I, И, П1 и IV). Все комплексы были выделены и установлено, что для них характерна структурно-функциональная комплементарность, которая выражается в их способности к самосборке в замкнутые мембранные образования, катализирующие перенос водорода и электронов между соседними комплексами, вплоть до реконструкции функционирующей дыхательной цепи [8]. [c.402] В комплексы входят белки-ферменты, катализирующие перенос водорода и электронов, белки, выполняющие структурные функции, и фосфолипиды, Расположение каталитических белков в комплексах определяется последовательностью окислительно-восстановительных реакций в дыхательной цепи. [c.403] В элементарной единице, как и в самих комплексах, каталитические белки — оксидоредуктазы располагаются в порядке увеличения их окислительно-восстановительных потенциалов [8] (см. стр. 406). [c.403] Каждый комплекс содержит несколько оксидоредуктаз, которые расположены в строгой последовательности, обеспечивающей плавное повышение положительных потенциалов и передачу электронов от одного фермента к другому. Разница в потенциалах между двумя соседними оксидоредуктазами очень незначительна, что обеспечивает обратимость реакций. [c.403] При окислении НАД-Н( + Н+) молекулярным кислородом происходит изменение потенциала приблизительно на 1,2 В. В зависимости от потенциала окисления субстрата (карбоновые кислоты цикла Кребса) первыми акцепторами водорода являются НАД+ или НАДФ+, ФАД или липо-евая кислота. Так, например, потенциал окисления изолимонной и яблочной кислот около 0,3 В. В этом случае реакция дегидрирования протекает при участии оксидоредуктаз, коферментом которых служит НАД+. Потенциал окисления янтарной кислоты около 0. Первичным акцептором водорода в реакции дегидрирования янтарной кислоты являются фла-винсодержащие ферменты с потенциалом около 0,1 В. Этим объясняется отличие пути окисления янтарной кислоты от других карбоновых кислот цикла Кребса. Водород, минуя НАД+, восстанавливает ФАД, а затем через те же самые переносчики транспортируется к кислороду [9]. [c.403] Комплексы I и II являются началом дыхательной цепи и направляют электроны на один и тот же ее участок. Роль переносчика водорода и электронов между комплексами 1 и II и цитохромной системой выполняет убихинон (кофермент Р). Предполагают, что убихинон принимает атомы водорода от комплексов I и II и передает их на комплекс III, т. е. является связующим звеном между этими комплексами. Однако вопрос о роли кофермента р в процессе переноса водорода и электронов не ясен. Убихинон и родственные ему соединения обнаружены не только в митохондриях, но и в клеточных ядрах и микросомах. [c.403] Цитохром с отличается от всех цитохромов дыхательной цепи тем, что он легко экстрагируется из митохондрий. Молекулярная масса цитохрома с 12 000. Железопорфириновая простетическая группа соединена с белком ковалентно, так же, как в цитохроме i. Предполагают, что цитохром с, как и кофермент Q, выступает в качестве связующего звена между комплексами III и IV. [c.404] Комплекс IV — концевой компонент дыхательной цепи — содержит цитохромоксидазу, представляющую собой комплекс, который состоит из цитохромов а и аз. Комплекс IV в восстановленной форме непосредственно реагирует с молекулярным кислородом. Цитохромы а и аз прочно связаны с митохондриальной структурой. Цитохромоксидаза прочно связана также с кардиолипином, который удаляется при экстракции только в жестких условиях. Отщепление кардиолипина приводит к потере цито-хромоксидазной активности. Препараты цитохромоксидазы содержат и другие липиды. Предполагают, что фосфолипиды способствуют взаимодействию цитохрома с с цитохромоксидазой. [c.404] Структура цитохромоксидазы — сложного и важного в функциональном отнощении концевого комплекса дыхательной цепи — окончательно не установлена. В очищенном препарате цитохромоксидазы обнаружены атомы меди. Показано, что при переносе электронов на кислород происходит окисление Си+ до Сц2+. Предполагают, что в цитохромоксидазе атомы меди также участвуют в ферментативных процессах, связанных с переносом электронов на кислород. [c.404] Простетические группы цитохромов а и Сз (см. раздел Хромопротеиды ) близки по структуре, но значительно отличаются от протогема, входящего в цитохром Ь, и от производных протогема, обнаруженных в цитохромах l и с. [c.404] От цитохрома Ь электрон переносится к цитохрому С1. При этом железо простетической группы цитохрома С1 восстанавливается, а железо простетической группы цитохрома Ь переходит в окисленную форму. [c.405] Аналогично протекают последующие стадии переноса электрона с цитохрома С1 на цитохром с, с цитохрома с на цитохром а и с цитохрома а на цитохром 3. [c.405] Окислительное фосфорилирование. При протекании многостадийных окислительных реакций в дыхательной цепи происходит дробное выделение энергии окисляющегося субстрата. Различают два вида окисления — сопряженное фосфорилирующее и сопряженное нефосфорилирую-щее. При сопряженном фосфорилирующем окислении в клетке накапливается выделяющаяся при окислении энергия в виде АТФ. При сопряженном нефосфорилирующем окислении энергия, выделяющаяся в дыхательной цепи, используется клеткой для выполнения работы (перенос ионов через мембрану митохондрий, изменение конформации митохондриальной структуры и др.) [9]. [c.406] Процесс образования АТФ из АДФ и неорганического фосфата в дыхательной цепи за счет энергии окисления называется окислительным фосфорилированием. [c.406] Установлено, что при прохождении пары электронов от восстановленной формы НАД к кислороду синтезируются три молекулы АТФ, а при прохождении пары электронов от янтарной кислоты к кислороду — две молекулы АТФ. [c.406] Вернуться к основной статье